计算机网络期末复习笔记

适用谢希仁编著的《计算机网络》第8版

公式规则速查表

专题	公式/规则	使用条件
码元与比特率	R = Baud × log2(V)	V 为码元状态数
奈奎斯特	C = 2B log2(V)	无噪声、带宽受限
香农	C = B log2(1+S/N)	有噪声；S/N 用线性值
dB 换算	SNR(dB)=10log10(S/N)	先由 dB 还原 S/N
FDM	N×B+(N-1)×G≤W	G 为相邻信道保护带
发送时延	Tt=L/R	L 用 bit，R 用 bit/s
CSMA/CD	Lmin=2TpR	最小帧覆盖往返传播时延
停止等待	U=Tt/(Tt+2Tp)	通常忽略 ACK 发送和处理时延
滑动窗口	Wmin=ceil(1+2Tp/Tt)	希望发送方不因等待 ACK 空闲
VLSM	2^h-2≥H；p=32-h	H 为所需可用主机数
RIP	候选距离=邻居通告距离+1	16 及以上表示不可达
TCP ACK	ack=已按序接收的最后字节+1	累计确认，SYN/FIN 各占一个序号
CDMA 判决	`(收到码片序列·本站码片序列)/码片数`	`+1` 发 1，`-1` 发 0，`0` 未发

一概述

三网融合的三网指的是：电信网、有线电视网络、计算机网络
世界上第一个计算机网络是：ARPANET
internet 是一个通用名词，泛指多个计算机网络互连形成的计算机网络；Internet 是一个专有名词，通常特指全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互联网，采用 TCP/IP 协议簇作为通信规则
ISP是互联网服务提供商
网络边缘的端系统间通信方式有两大类：C/S方式（客户-服务器方式）和P2P方式（对等连接方式）
数据传输三种交换方式：电路交换，整个报文的比特流连续地从源点直达终点，在通信双方之间建立一条专用的物理通路，并在整个通信期间独占该通路；报文交换，整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点；分组交换，将长报文切成分组，逐段存储转发、可统计复用，资源利用率高，数据报服务和虚电路服务都属于分组交换
计算机网络的分类：PAN（Personal Area Network，个人局域网）、LAN（Local Area Network，局域网）、MAN（Metropolitan Area Network，城域网）、WAN（Wide Area Network，广域网）
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

发送时延：L/R，由数据长度和发送速率决定
传播时延：d/v，由距离和信号传播速率决定
处理时延：路由器/主机处理首部、查表、差错检测等所需时间
排队时延：分组在路由器输出队列等待的时间，网络繁忙时可能很大

RTT（Round-Trip Time）是往返时间，用于评估性能；TTL（Time To Live）是生存时间，用于限制数据包在网络中的存在时间或跳数
网络协议的三个要素：语法、语义、同步。语法规定数据与控制信息的结构或格式；语义规定通信双方需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应；**同步（又称时序）**规定事件实现的先后顺序。
分层、实体、服务：

实体是能够发送或接收信息的软硬件进程
同层实体之间通过协议通信
下层向上层提供服务，上层通过服务访问点（SAP）使用下层服务
向下传递数据时逐层添加控制信息，称为封装；接收端逐层去掉控制信息，称为解封装

五层协议体系结构

层次	PDU	主要功能
应用层	报文	直接向用户应用进程提供网络服务
运输层	报文段	提供进程到进程的端到端通信
网络层	分组/数据报	寻址、路由、跨网络交付
数据链路层	帧	在相邻节点间传输帧，处理成帧和差错检测等问题
物理层	比特	在传输媒体上透明传送比特流

二物理层

物理层有关的一些特性：

机械特性：接口的形状、尺寸、引脚数、排列等。
电气特性：电平、脉冲宽度、最大传输速率、传输距离等。
功能特性：每条线路的功能，例如数据线、控制线、时钟线。
过程特性：不同功能事件出现的先后顺序。

码元、波特率与比特率：

码元：固定时长的信号单元。
波特率：每秒传输的码元数，即每秒可能发生的信号变化次数。
若一个码元有 V 种离散状态，则每码元最多可携带 log2(V) bit。
比特率 = 波特率 × 每码元比特数。

奈奎斯特与香农：

奈奎斯特公式：C=2B log2(V)。用于无噪声、带宽受限信道。
香农公式：C=B log2(1+S/N)。用于有噪声信道。
SNR(dB)=10log10(S/N)；若已知 20 dB，则 S/N=100。
若题目同时给给出信道带宽、信噪比和码元等级，应分别计算两个上限，实际速率取较小值。

传输媒体：

导引型媒体：双绞线、同轴电缆、光纤。
非导引型媒体：无线电波、微波、红外线、卫星通信。
光纤：带宽最宽、衰减最小、抗电磁干扰能力最强。

频分复用 FDM：多个用户占用不同频段；相邻信道之间需要保护带。若每路信号带宽为 B、保护带为 G、总带宽为 W，则 N×B+(N-1)×G≤W。
时分复用 TDM 与统计时分复用**：

时分复用：不同用户按固定时隙轮流使用同一信道。
统计时分复用：按需动态分配时隙，适合突发业务，通常效率更高。

波分复用 WDM：在光纤中使用不同波长的光进行复用，本质类似频分复用。
码分复用 CDMA：

每个站分配一组彼此正交的码片序列，码片通常取 +1/-1。
发送 1 时发送本码片序列；发送 0 时发送其反码；未发送时贡献全 0。
信道中收到的是各站信号叠加结果。
接收端将收到序列与目标站码片序列做内积并除以码片数：+1 表示发 1，-1 表示发 0，0 表示未发。

线路编码：

非归零码 NRZ：一个比特周期内电平不回到零，长串相同位时缺少同步变化。
曼彻斯特编码：每个比特周期中间都有一次跳变，同时携带时钟信息；上跳/下跳表示 0 或 1 的具体约定以题目为准。
差分曼彻斯特编码：位中间始终跳变；位开始处是否跳变表示数据，抗极性反转能力较强。

宽带接入技术：

ADSL：利用电话线提供宽带接入。
HFC：光纤同轴混合网。
FTTx：光纤接入到不同位置，例如 FTTH（光纤到户）。

三数据链路层

数据链路与帧：数据链路是在一段点到点物理线路上实现通信所需的协议和硬件，帧是数据链路层 PDU。
数据链路层解决的三个基本问题：

封装成帧：在数据前后添加首部和尾部，确定帧边界。
差错检测：检测传输过程中是否产生比特差错。
可靠传输：数据中出现控制字符时不能被误认为帧边界或控制信息。

HDLC 零比特填充法：

HDLC 标志字段为 01111110。
发送端在数据中每出现连续 5 个 1，就在其后插入一个 0。
接收端发现连续 5 个 1 后的 0 时删除该 0。

CRC 循环冗余检验：

设生成多项式 G(x) 的最高次数为 r。
在原始数据后补 r 个 0。
用补零后的数据除以生成多项式对应的二进制码，进行模 2 除法。
得到的 r 位余数拼接在原始数据后发送。
模 2 除法不借位，减法等价于异或。
接收端余数为 0 只能说明未检测到差错；CRC 不能解决丢帧、重复、顺序、确认和重传问题，因此不等于可靠传输。

PPP 协议：

PPP 是点到点协议，常用于用户到 ISP 的点对点链路。
支持成帧、透明传输和差错检测。
PPP 不负责纠错、可靠传输和流量控制。

CSMA/CD：载波监听多址接入/碰撞检测。

发送前先监听信道。信道空闲则发送；忙则继续监听并推迟发送。
发送过程中继续监听，检测是否发生碰撞。
碰撞后立即停止发送，发送阻塞信号，按随机退避算法等待后重传。

CSMA/CD 最小帧长：

发送站必须在最远端碰撞信号返回前仍处于发送状态，才能检测碰撞。
最小帧长：Lmin=2TpR，其中 Tp 为单程传播时延，R 为数据率。

集线器 Hub：

在物理层工作，只再生/转发比特，不识别 MAC 地址，不查转发表。
接入 Hub 的设备共享带宽，处于同一冲突域；传统共享以太网使用 CSMA/CD。

以太网 MAC 地址：

MAC 地址长度为 48 位，通常写成 6 个十六进制字节。
MAC 是数据链路层地址，用于当前局域网链路上的帧交付。

交换机自学习与转发：

收到帧后，交换机用源 MAC 地址和入端口建立/更新转发表。
目的 MAC 已知且目的端口不同于入端口：定向转发。
目的 MAC 未知：向除入端口外的所有端口泛洪。
目的端口就是入端口：过滤，不转发。
交换机按端口隔离冲突域；默认二层交换机不能隔离广播域。

扩展以太网：

物理层扩展：中继器、Hub 等，只延伸比特传输；相连网段的传输速率和数据链路层协议应相同。
数据链路层扩展：网桥、交换机，能识别 MAC 地址并选择性转发帧。

VLAN 虚拟局域网：用逻辑方式把一个物理 LAN 划分为多个广播域；不同 VLAN 之间的通信通常需要三层设备转发。
高速以太网与命名：

10BASE-T：10 表示 10 Mb/s，BASE 表示基带传输，T 表示双绞线。
100BASE-T：100 Mb/s 以太网。
吉比特以太网：1 Gb/s；10GbE：10 Gb/s。
交换机总带宽的常见题目口径：端口数 × 单端口速率；是否计算全双工要看题干要求。

CSMA/CA：载波监听多址接入/碰撞避免：

无线局域网使用载波监听多址接入/碰撞避免，而不直接使用 CSMA/CD。
原因一：无线节点发送时难以同时可靠接收，碰撞检测代价高。
原因二：存在隐藏站，发送站无法检测所有碰撞。
通过随机退避、RTS/CTS 和 ACK 等机制尽量避免碰撞并提高可靠性。

冲突域与广播域：

Hub 不隔离冲突域，也不隔离广播域。
交换机按端口隔离冲突域，但默认仍在同一广播域。
VLAN 隔离广播域。
路由器隔离广播域。

四网络层

网络层两种服务：

数据报服务：无连接、尽最大努力交付。IP 协议提供的是不可靠、无连接的数据报服务。
虚电路服务：先建立逻辑连接，分组携带较短的虚电路标识。

IPv4 地址与 CIDR：

IPv4 地址长度为 32 位，用点分十进制书写。
CIDR 写法 a.b.c.d/p 表示前 p 位为网络前缀。
/p 地址块总地址数为 2^(32-p)；通常可用主机数为 2^(32-p)-2。
常用对应：/8=255.0.0.0，/16=255.255.0.0，/24=255.255.255.0，/25=255.255.255.128。

同一子网判断：

分别计算两台主机的 IP 地址 AND 子网掩码。
网络号相同，说明在同一子网，可直接通过 ARP 获取目标 MAC 后发送帧。
网络号不同，发送方应把分组交给默认网关，由路由器转发。

VLSM 可变长子网划分步骤：

根据主机数 H，找最小的 h 使 2^h-2≥H。
前缀长度 p=32-h。
通常按主机数从大到小分配地址块。
地址块必须从相应块大小的边界开始，不能跨边界。
写出每个 LAN 的网络地址、前缀/掩码、广播地址、可用主机范围。
题目要求路由器使用“最大地址”时，通常指最大可用主机地址，不是广播地址。

传统分类地址、私有地址、特殊地址：

A 类默认 /8，B 类默认 /16，C 类默认 /24；实际地址分配和转发以 CIDR/最长前缀匹配为准。
常见私有地址块：10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16。

A 类中的特殊地址：

0.0.0.0/8：保留，表示“本网络”或默认路由。
127.0.0.0/8：回环地址（Loopback），用于本地进程间通信，数据报不离开主机。常用 127.0.0.1。

D 类（组播）：224.0.0.0/24：本地链路组播，TTL 通常为 1，不经过路由器。例：

224.0.0.1：所有主机
224.0.0.2：所有路由器
224.0.0.9：RIP-2 路由器
224.0.0.5 / 224.0.0.6：OSPF

E 类保留用于未来或实验用途，不用于公共网络。255.255.255.255：受限广播地址。

类别	首字节二进制前缀	首字节十进制范围	地址范围（点分十进制）	用途
A	`0xxxxxxx`	0 ~ 127	0.0.0.0 ~ 127.255.255.255	大型网络
B	`10xxxxxx`	128 ~ 191	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	中型网络
C	`110xxxxx`	192 ~ 223	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	小型网络
D	`1110xxxx`	224 ~ 239	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255	组播（Multicast）
E	`1111xxxx`	240 ~ 255	240.0.0.0 ~ 255.255.255.255	保留/实验

网络号与主机号划分

类别	网络号位数	主机号位数	默认子网掩码	最大网络数	每网络最大主机数
A	8 位	24 位	255.0.0.0 /8	2⁷ = 126（0 和 127 保留）	2²⁴ − 2 = 16,777,214
B	16 位	16 位	255.255.0.0 /16	2¹⁴ = 16,384	2¹⁶ − 2 = 65,534
C	24 位	8 位	255.255.255.0 /24	2²¹ = 2,097,152	2⁸ − 2 = 254

IP 地址与 MAC 地址：

IP 是网络层逻辑地址，负责跨网络寻址与路由。
MAC 是数据链路层硬件地址，负责当前局域网链路的帧交付。
一个 IP 数据报在不同链路上传输时，源/目的 MAC 会改变；源/目的 IP 通常保持不变。

ARP 地址解析协议：

已知同一局域网内目标 IPv4 地址，解析其 MAC 地址。
若目的主机不在本子网，主机 ARP 查询的是默认网关的 MAC 地址，不是远程目的主机的 MAC 地址。

IPv4 数据报首部高频字段：

总长度：IP 数据报总长度。
标识、标志、片偏移：与分片和重组有关。
TTL：防止数据报永久兜圈。
协议：指出上层协议，例如 TCP、UDP、ICMP。
首部校验和：只检验 IPv4 首部。
源地址、目的地址：源/目的 IPv4 地址。

分组转发与最长前缀匹配：

路由器按目的 IP 地址查找转发表。
若多个表项都匹配，选择前缀最长、最具体的一项。
直连网络无需下一跳；远程网络要填写下一跳 IP 或出接口。

ICMP：用于报告差错和查询诊断。

ICMP（Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议）是 IP 层的配套协议，用于在 IP 主机与路由器之间传递控制信息与差错报告，本身并非高层协议，而是直接封装在 IP 数据报中传输（IP 协议字段值为 1）

ping 使用 ICMP 回送请求和回答。
traceroute/tracert 与 TTL 超时机制相关。

IPv6：

IPv6 地址长度为 128 位。
IPv6 基本首部更简化，取消首部校验和，使用扩展首部。
IPv4 向 IPv6 过渡可采用双协议栈、隧道等方式。

自治系统与路由协议：

AS（自治系统）是在统一管理下、采用统一内部路由策略的一组网络。
AS 内部使用 IGP，例如 RIP、OSPF。
AS 之间使用 EGP，典型协议为 BGP。

RIP：

RIP 是距离向量路由协议，度量为跳数。
最大可达跳数是 15；16 表示不可达。
收到邻居通告后，候选距离 = 邻居距离 + 1。
新目的网络：加入路由表。
候选路径更短：替换原表项。
原表项下一跳就是发送更新的邻居：即使距离变大，按该邻居新通告更新。

OSPF 与 BGP：

OSPF 是链路状态路由协议，路由器获得网络拓扑并运行Dijkstra最短路径算法，属于 IGP。
BGP 是路径向量协议，用于不同 AS 之间，属于 EGP。

静态路由与路由聚合：

直连网络：路由表的下一跳可为空，写本地接口。
远程网络：写下一跳 IP 和/或出接口。
连续、相邻且通往同一下一跳的网络，可聚合成更短前缀以减少路由表项。

NAT 与 VPN：

NAT 在私有网络与公网之间转换 IP 地址/端口，用于缓解 IPv4 地址不足。
VPN 在公网上建立逻辑专用网络。

网际组管理协议 IGMP：IGMP 是 TCP/IP 协议族中网络层 IP 数据报的一个协议，协议号为 2，TTL 固定为 1（限制在本地子网），作用是管理 IPv4 网络中组播组成员关系，使路由器能够准确知道哪些主机属于哪些组播组，从而高效转发组播流量。

五运输层

运输层的作用：提供进程到进程的逻辑通信。网络层负责主机到主机，运输层使用端口号区分同一主机上的不同应用进程。
端口号：端口号长度为 16 位。常见端口：FTP 21、TELNET 23、HTTP 80、TFTP 69
UDP：

无连接、尽最大努力交付、面向报文、首部开销小。
不保证可靠、有序、无重复交付。
适合实时性优先或由应用层自行处理可靠性的场景。

TCP 的主要特点：

面向连接。
可靠传输。
全双工通信。
面向字节流。
通过序号、确认、校验、重传和窗口机制实现可靠性。

停止等待协议：

发送方发送一个分组后等待确认，收到 ACK 才发送下一个。
超时未收到确认则重传。
为区分新分组与重传分组，序号通常只需 0 和 1。
发送时延：Tt=L/R。
忽略 ACK 发送时延和处理时延时：U=Tt/(Tt+2Tp)。
若要使利用率至少为 50%，要求 Tt≥2Tp。

连续 ARQ 与滑动窗口：

允许发送方连续发送多个分组，不必每发送一个就等待 ACK。
窗口足够大时可以填满“管道”，避免链路因等待确认而空闲。
常用最小窗口：Wmin=ceil(1+2Tp/Tt)。

TCP 首部高频字段：

源端口、目的端口。
序号 seq。
确认号 ack。
首部长度。
控制位：URG、ACK、PSH、RST、SYN、FIN。
窗口、校验和、紧急指针。

TCP 序号与确认号：

seq 是本报文段数据部分第一个字节的编号。
ack 是期望收到对方的下一个字节编号。
收到序号为 x、数据长度为 L 的按序报文段后，确认号通常为 x+L。
TCP 使用累计确认：ACK 值之前的所有字节均已按序收到。
SYN 和 FIN 各消耗一个序号；纯 ACK 不消耗序号。

TCP 三次握手：

客户端 → 服务器：SYN=1，seq=x。
服务器 → 客户端：SYN=1，ACK=1，seq=y，ack=x+1。
客户端 → 服务器：ACK=1，seq=x+1，ack=y+1。
目的：双方同步初始序号，确认双向通信能力，避免旧的失效连接请求导致错误连接。

TCP 四次挥手：

主动关闭方发送 FIN。
对方回复 ACK。
对方处理完剩余数据后发送 FIN。
主动关闭方回复最后 ACK。
主动关闭方进入 TIME-WAIT，处理迟到分组并确保最后 ACK 可重传。

流量控制：

防止发送方发送过快导致接收方来不及接收。
TCP 通过接收窗口 rwnd 实现；实际发送窗口受接收方通告窗口限制。

拥塞控制：

目的：防止网络过载，而不是只保护接收方。
关键变量：拥塞窗口 cwnd、慢启动门限 ssthresh。
慢启动：cwnd 近似指数增长。
拥塞避免：达到 ssthresh 后，cwnd 近似线性增长。
三个重复 ACK：通常认为发生轻度丢包，真题口径为 ssthresh 减半，cwnd 减半。
超时：认为拥塞更严重，ssthresh 减半，cwnd 置 1，重新慢启动。

流量控制与拥塞控制区别：

流量控制关注接收方是否来得及接收。
拥塞控制关注网络是否过载。
TCP 实际允许的发送窗口通常受 min(rwnd, cwnd) 限制。

六应用层

DNS 的作用：将容易记忆的域名映射为 IP 地址，还可用于别名、邮件服务器定位等。
域名结构：采用层次结构，通常按 主机.机构.顶级域 书写，例如 h.c.com。
域名服务器层次：

根域名服务器。
顶级域名服务器。
权威域名服务器：保存某个域的最终记录。
本地域名服务器：通常由 ISP、学校或单位提供，主机首先向它查询。

递归查询与迭代查询：

递归查询：被查询服务器替请求者继续查询并返回最终答案。
迭代查询：服务器返回下一步应该查询的服务器线索。
常见模式：主机到本地域名服务器是递归查询；本地域名服务器到根、顶级域、权威服务器是迭代查询。
DNS 缓存可以减少后续查询时延和服务器负载。

FTP：

使用两条并行 TCP 连接。
控制连接传输命令和控制信息。
数据连接传输文件内容。
FTP 控制连接常用端口为 21。

TFTP 与 TELNET：

TFTP 是简单文件传送协议，使用 UDP，常见端口 69，功能比 FTP 简化。
TELNET 是远程终端协议，默认端口 23；明文传输，安全性不足。

WWW、URL、HTML、HTTP：

WWW 是分布式超文本系统。
URL 是统一资源定位符，用于标识和定位资源。
HTML 是超文本标记语言，用于描述网页文档。
HTTP 是浏览器与 Web 服务器之间使用的应用层协议，默认端口为 80。

HTTP：

常见请求方法：GET、POST。
响应报文通常包括状态行、首部和实体主体。
非持续连接通常一个对象一个 TCP 连接；持续连接可在一个 TCP 连接上传送多个对象，减少连接建立开销。

电子邮件：

SMTP：用于发送邮件和服务器之间转发邮件。
POP3、IMAP：用于用户读取邮件。
MIME：扩展电子邮件内容类型，支持附件、非 ASCII 文本等。

DHCP 动态主机配置协议：自动给主机分配 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器等参数。

基本过程：客户端发现（Discover）→ 服务器提供（Offer）→ 客户端请求（Request）→ 服务器确认（ACK）。

SNMP：简单网络管理协议，用于网络管理；涉及管理站、代理、管理信息库 MIB。
P2P 应用：多个对等方共同提供资源；可采用集中目录服务器或全分布式结构。
常见协议和端口速记：

协议/概念	用途与关键记忆
DNS	域名解析；主机到本地常递归，本地向外常迭代
FTP	控制连接 + 数据连接；TCP，控制端口 21
HTTP	Web 传输协议；默认端口 80
TELNET	远程终端；默认端口 23
TFTP	简化文件传送；UDP，端口 69
SMTP	邮件发送和服务器间转发
POP3 / IMAP	邮件读取协议
DHCP	动态分配 IP、掩码、网关、DNS 等参数

公式规则速查表

一 概述

二 物理层

三 数据链路层

四 网络层

五 运输层

六 应用层

一概述

二物理层

三数据链路层

四网络层

五运输层

六应用层